导读

近日，天津大学姚建铨院士课题组与首都师范大学张岩教授课题组合作报道了一种通用的全介质超表面平台，可以在太赫兹波段产生纵向变化的矢量涡旋光束。作为概念证明演示，表征了一系列产生涡旋光束拓扑荷演化和矢量涡旋光束的矢量偏振态演化的超表面。实验与仿真结果充分验证了所提方案的可行性。该方案在可见光和微波等波段同样适用。相关成果以“Creating longitudinally varying vector vortex beams with an all-dielectric metasurface”为题发表于Laser & Photonics Reviews上。天津大学郑程龙博士为该项工作的第一作者，天津大学张雅婷副教授、姚建铨院士和首都师范大学张岩教授为论文的通讯作者。本工作得到了包括国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目资助。

研究背景

携带有轨道角动量的电磁波称为涡旋波，具有螺旋状的相位结构和甜甜圈状的强度分布。由于具有不同拓扑荷的涡旋光束之间的模式正交性，使得其在大容量通信中具有重要的应用价值。除此之外，涡旋光束还被广泛应用于捕获和旋转微粒、量子信息、超分辨成像等领域。

除了具有空间均匀的偏振光外，具有不均匀偏振特征的光束称为矢量光束，也是当前的研究热点。其独特的偏振分布引起了其在光学捕获、超分辨显微、激光加工方面的工程应用。轴向双折射元件、空间变化延迟器、超表面等都可以用来产生矢量光束。同时具有非均匀的偏振态和携带轨道角动量的光束称为矢量涡旋光束。

除了只考虑单个平面上的偏振和涡旋分布，也有一些文献报道了在多个平面上操控光场的能力。然而，现有的这些方案要么是采用体积庞大的空间光调制器实现，要么需要复杂的光路以及滤波操控才能实现。这些在实际应用特别是在太赫兹波段会造成很大的限制。 

亮点 

图1 可产生纵向变化的矢量涡旋光束的全介质超表面示意图。

（1）涡旋光束拓扑荷纵向演化

首先展示了该超表面器件产生纵向变化的涡旋光束的能力。在左旋圆偏振（LCP）波入射下，产生的涡旋光束的拓扑荷随着传播距离的增大从l = +2演化到 l = -2（如图2a1和a2所示）；在右旋圆偏振（RCP）波入射下，产生的涡旋光束的拓扑荷随着传播距离从l = +1演化到l  = -1（如图2a3和a4所示）。计算的模式纯度随传播距离的演化同样证实了这一现象（如图2b所示）。

图2 产生涡旋光束的拓扑荷纵向演化的表征

（2）矢量涡旋光束偏振态的纵向演化

通过将产生多个涡旋态的相位赋予超表面，并操纵左右旋圆偏振间的相位差，设计了一种能够产生的矢量涡旋态从一阶径向偏振往二阶径向偏振演化的超表面（如图3）。可以通过观察不同入射和出射偏振下的光强分布和仿真的偏振分布识别出相应场的偏振态。

图3 产生矢量涡旋光束的偏振态纵向演化的表征

总结与展望 

本文展示了利用全介质超表面平台产生纵向变化的矢量涡旋光束。通过充分利用传输相位和几何相位两个自由度，将两束不同焦距的长焦深涡旋光束集成到两种正交的圆偏振态。通过改变监测距离，观测到纵向变化的矢量涡旋光束。虽然提出的方案是在太赫兹波段被验证，它同样适用于其他波长，包括可见光和微波范围。所提出的超表面策略可以应用于从粒子操控和偏振光学。

文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202200236 

Creating longitudinally varying vector vortex beams with an all-dielectric metasurface, Laser & Photonics Reviews, 2022, 202200236.